4.1 气体的击穿解析
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电 离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时 ，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
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高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
第二节 带电粒子的产生和消失
⒊ 热电离
热电离——因气体热状态引起的电离过程。
发生热电离的条件
注意 分子热运动所固有的动能不足 以产生碰撞电离，20oC时，气 体分子平均动能约0.038eV。热 电离起始温度为103K（727oC） 在一定热状态下物质会发出辐 射，热辐射光子能量大，会引 起光电离
3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
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第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
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第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
本章主要内容
气体放电的主要形式简介
第一节
第二节
第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
带电粒子的产生和消失
均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中的气体击穿的发展过程 持续电压作用下气体的击穿特性 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 操作冲击电压下气体的击穿特性
绝对温度和摄氏温度的关系： T绝对=273+T摄氏
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第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
第二节 带电粒子的产生和消失
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合 例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度， 气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离， 高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离
气体介质的击穿现象
气体介质的击穿现象气体介质的击穿现象是指在一定电压条件下，气体中产生了电击穿现象。
电击穿是指在高电场强度作用下，气体中原本绝缘的状态被突破，导致气体成为导电状态。
本文将从气体击穿的定义、机理、影响因素和应用等方面进行详细论述，并探讨当前相关研究和趋势。
一、气体击穿的定义气体击穿是指当电压达到一定临界值时，气体中的原子或分子被电场加速并与其他粒子碰撞，导致气体发生电离现象，产生局部的导电通道。
这个电离过程可以是从阴极向阳极的电子流（电子击穿）或者从阳极向阴极的离子流（离子击穿）。
二、气体击穿的机理气体击穿是由复杂的物理和化学过程导致的，其机理主要包括以下几个方面：1. 离子化机制：电场加速下，气体中的原子或分子产生离子化，形成自由电子和离子。
2. 碰撞机制：离子与原子、分子碰撞后产生电离级联形成更多的离子和自由电子。
3. 电子减速机制：自由电子与气体分子碰撞后产生电子减速，使其能量转移给其他分子。
4. 穿透机制：产生的离子和自由电子在电场作用下穿越气体并形成导电通道。
三、气体击穿的影响因素气体击穿现象受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 电场强度：电场强度越高，气体击穿越早。
2. 气体性质：不同气体具有不同的击穿电压和击穿场强度。
例如，质子型气体（氢气、氦气）的击穿电压要比电子型气体（氮气、氧气）低。
3. 气体压力：气体的击穿电压随着压力的增加而降低。
当气体压力较低时，击穿电压较高。
4. 温度：温度对气体击穿电压的影响与气体性质有关。
一般情况下，温度越高，击穿电压越低。
四、气体击穿的应用气体击穿现象在科学研究和工程应用中具有重要作用，主要应用于以下领域：1. 电力系统：用于判断电力设备（变压器、绝缘子、电缆等）的耐压性能，以保证电力系统的安全运行。
2. 气体放电灯：例如氖灯、气体放电显示器等，利用气体击穿的特性来产生光电效应。
3. 气体保护：在工业生产过程中，气体击穿可用于保护设备和人员的安全，如气体绝缘断路器等。
气体间隙的击穿
颗粒的大小和分布对击穿电压有显著 影响。大而密集的颗粒会导致局部电 场增强，从而降低整体的击穿电压。
04
气体间隙击穿的预防与控制
提高气体纯度与压力
总结词
提高气体纯度与压力可以有效降低气体间隙的击穿概率。
详细描述
气体纯度越高，气体间隙中的杂质和污染物就越少，从而降低了气体间隙的击穿概率。同时，提高气体的压力也 可以增加气体分子的密度，进一步降低击穿的可能性。
击穿过程具有瞬时性、随机性和复杂 性，与气体压力、温度、气体类型、 电极形状和电压波形等因素有关。
气体间隙击穿的物理过程
电场增强
在强电场的作用下，气体分子中 的电子被激发，形成传导电流。
电离与雪崩效应
随着电场的增强，气体分子中的 电子被加速并获得足够的能量， 与气体分子碰撞产生电离，形成 更多的电子和正离子，导致电流
迅速增加。
放电通道的形成
当电流达到一定阈值时，放电通 道形成，气体间隙由绝缘状态变
为导电状态。
气体间隙击穿的应用领域
01
02
03
高压设备
气体间隙击穿在高压设备 中有着广泛的应用，如高 压变压器、断路器、绝缘 子等。
电子设备
气体间隙击穿在电子设备 中也有着重要的应用，如 电容器、电子管、晶体管 等。
水平和击穿阈值。
详细描述
新型气体介质如氩气、氦气等惰性气体，以及混合气体如SF6、CF4等，由于其高电负 性和不活泼的化学性质，具有很好的绝缘性能和耐电弧侵蚀能力。这些新型气体介质在 高压电气设备中广泛应用，如GIS、变压器、断路器等，以提高设备的绝缘水平和运行
可靠性。
高电压气体间隙的击穿特性研究
在高温下，气体分子 会吸收热量并获得足 够的能量，从而发生 热电离。
气体电介质的击穿 液体电介质的击穿 固体电介质的击穿
第5章电介质的击穿气体电介质的击穿液体电介质的击穿固体电介质的击穿¾电介质的击穿介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈地增加，通常以介质伏安特性斜率趋向于∞（即dI/dU=∞）——击穿发生的标志。
¾击穿电压¾击穿场强：电介质的击穿场强是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力。
5.1 气体电介质的击穿¾正常气体中的载流子(离子和电子)在外电场作用下迁移，形成电流电流随电压增加而增加电离产生的载流子来不及复合，全部到达电极气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流不再保持恒定而迅速上升载流子数剧增，气体中的电流无限增大(dI/dU→∞)——丧失绝缘性能。
气体击穿（气体放电）：气体由绝缘状态变为良导电状态的过程。
击穿场强：均匀电场中击穿电压与气体间隙距离之比.击穿场强反映了气体耐受电场作用的能力，即气体的电气强度。
平均击穿场强：不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称¾气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发热等现象。
5.1.1 均匀电场中气体击穿的理论1.气体击穿的汤逊（Townsend）理论电子崩形成过程(电子倍增过程)（1）电子崩与电流倍增外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。
α如电离系数为，则从阴极出发的一个电子，行经单位距离后增加为2α个电子。
类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
电子崩模型右图所示，在电子崩发展过程中，崩头最前面集中着电子，其后直到崩尾是正离子。
在强电场中出现电子崩α的过程称为过程。
这样的放电依赖于外界条件的，也称为非自持放电.（2）气体的自持放电实验发现，当气隙不太宽时，放电与电极材料有关，因而导致考虑γ过程的作用，由γ过程和过程一起来决定气隙中的电流。
气体间隙的击穿强度
碰撞电离击穿模型
总结词
碰撞电离击穿模型认为气体间隙的击穿是由于气体分子在强电场下被加速并与其他气体分子发生碰撞 ，导致气体分子电离，形成导电通道。
详细描述
在强电场的作用下，气体分子被加速并获得能量。这些能量使得气体分子之间的碰撞变得更加剧烈。 当气体分子与其他气体分子发生碰撞时，碰撞会产生足够的能量，使气体分子电离，形成导电通道。 随着导电通道数量的增加，气体间隙的击穿最终会发生。
论支持和技术指导。
谢谢
THANKS
04 气体间隙击穿的未来研究方向
CHAPTER
高压气体间隙的击穿特性研究
总结词
高压气体间隙的击穿特性研究是当前研究的 热点之一，对于理解气体间隙的击穿机制和 优化高压设备的设计具有重要意义。
详细描述
随着电力和能源领域的发展，高压气体间隙 的应用越来越广泛，如高压电容器、气体绝 缘开关等。然而，高压气体间隙的击穿特性 研究仍存在许多挑战，如高电场强度下的电 子崩塌机制、气体分子与电极表面的相互作 用等。未来的研究需要深入探讨这些机制，
气体间隙 气体间隙击穿强度概述 • 气体间隙击穿的理论模型 • 气体间隙的实际应用 • 气体间隙击穿的未来研究方向
01 气体间隙击穿强度概述
CHAPTER
定义与特性
定义
气体间隙的击穿强度是指气体在电场 作用下，从绝缘状态转变为导电状态 所需的最低电场强度。
特性
气体间隙的击穿强度与气体的种类、 压力、温度、电场均匀程度以及气体 中的杂质和水分等因素有关。
影响因素
气体压力
气体压力越高，击穿强度越大。
电场均匀度
电场越均匀，击穿强度越高。
气体种类
不同气体的击穿强度存在差异， 如空气、氮气、氦气等，其击 穿强度依次递增。
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
气体放电光源中的气体击穿和绝缘
气体放电光源是利用气体放电产生的光辐射的一种光源。在放电过程中，气体分 子被电离形成带电粒子，这些带电粒子在电场作用下加速运动并撞击其他气体分 子，使气体分子激发和电离，形成连续的放电电流。
为了维持稳定的放电状态并提高光源的光效和寿命，需要解决气体击穿和绝缘问 题。常用的方法包括优化电极结构、选择合适的气体介质和操作条件以及采用附 加的抑制电路等。
在气体中施加电压后，电场强 度逐渐增强。
电子崩发展
在电场作用下，气体中的电子 获得能量并碰撞气体分子，使 其电离产生更多的电子和离子 。
导电通道形成
随着电子崩和离子崩的发展， 丝状电流形成并扩展，最终导 致气体击穿。
放电现象
气体击穿后，电流在气体内流 动，产生放电现象。
03
气体间隙绝缘
气体间隙的绝缘性能
01
气体间隙的绝缘性能主要取决于气体的种类、压力、 温度和电场强度等参数。
02
在低气压下，气体分子的碰撞减少，导致电离率降 低，绝缘性能提高。
03
在高电场强度下，气体分子更容易发生电离，导致 绝缘性能降低。
气体间隙的击穿电压
气体间隙的击穿电压是指在一定条件下，气体能 够维持其绝缘性能的最大电压。
击穿电压与气体的种类、压力、温度和电场强度 等因素有关。
气体击穿和绝缘的基本概念
气体击穿
气体在电场的作用下，从绝缘状 态转变为导电状态的过程。
气体间隙绝缘
利用气体进行隔离，以实现不同 电位之间的电气隔离。
02
气体击穿理论
汤逊理论和流注理论
汤逊理论
该理论认为气体击穿是由电子崩发展而来的，当电子从电场中获得足够能量时， 会与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的电子和离子，最终形成导电通道。
气体电介质的击穿特性
开始出现电晕时电极表面的场强
输电线路的电晕起始场强与导线半径及空气密度 有关，一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克 公式：
Ec3m 0(10r.3 )k( V/cm )
m：导线表面粗糙系数与气象系数的乘 积; δ:空气相对密度； r: 导线半径（cm）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3、电晕放电的效应 （1）电晕电流具有高频脉冲性质，对无线电通讯产生干扰。 （2）电晕使空气发生化学反应，产生O3、NO、NO2。 （3）产生能量损耗。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因
降低电晕的方法： 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。
在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的 那个电极表面开始，与该电极极性无关。
对于电极形状不对称的不均匀电场气隙，如棒— —板间隙，棒电极的极性不同时，间隙的起晕电 压和击穿电压的大小也不同。这种现象称为极性 效应。
原因：棒电极的极性不同时，间隙中的空间电荷 对外电场的畸变作用不同。
和主放电三个阶段。 c、长间隙放电时，炽热的导电通道是在放电发展的过程中
建立的，而不是在整个间隙被流注通道贯穿后建立的，先 导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均 击穿场强远小于短间隙的平均击穿场强。
持续电压作用下空气的击穿电压
空气间隙的击穿场强主要取决于外加电压的 种类、电场的均匀程度及气体的状态。 电力工程中的空气间隙一般会受到三种电压的作 用：
正棒—负板间隙 当电子崩发展到棒极时，电子进入棒极中和。正离子留在棒 极附近以较慢速度向板极运动，正空间电荷使紧贴棒极附近的 电场减弱，不易形成流注，放电难以自持，故起晕电压高。而 正空间电荷加强了朝向板极的电场，有利于流注向板发展，故 击穿电压较低。
负棒—正板 阴极表面游离产生的电子通过强场区形成电子崩，电子向板极运动进入 弱场区后不再引起游离，并大多形成负离子。因其浓度小，对电场影响小。 正空间电荷加强了棒极附近的电场，易形成自持放电，故起晕电压低。朝 向板极方向的电场被减弱，流注不易发展，故击穿电压较高。
气体击穿理论
气体击穿理论影响气体击穿的主要因素：1、电场分布2、电压种类3、气体状态气体放电形式根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
2、电弧放电电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
3、火花放电气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间，称为火花放电。
4、电晕放电电极附近电场最强处出现放电现象称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。
气体中带电质点的产生气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。
光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离热电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。
负离子的形成和电负性气体负离子的形成：电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着于分子，形成了负离子。
电负性气体：能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性气体。
金属的表面电离金属表面电离：电子从金属表面逸出的过程。
金属表面电离的主要形式：1、正离子碰撞阴极；2、光电效应；3、场致发射；4、热电子放射。
带电质点的消失1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于电极（造成电流）；2、带电质点的扩散；3、带电质点的复合气体击穿的发展过程（汤逊气体放电理论）图2-5 气体放电试验电路示意图图2-6 气体放电过程中电流与电压的关系为了比较各种结构的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数f，它是最大场强Emax 和平均场强Eav的比值。
根据放电的特征，大致可以做如下区分：不均匀系数f<2 时，属于稍不均匀电场；不均匀系数f>4 后，属于极不均匀电场；不均匀系数2<f<4 时，稍不均匀到极不均匀的过渡区域，属于不均匀电场。
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阴极表面游离 ( 过程)
正离子
总结：
1. 将电子崩的形成过程和阴极上的γ 过程作为气体自持放 电的决定因素是汤逊理论的基础。 2. 汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原 因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面 逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 3. 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判 据。
模块五
情境一
新课引入：
交流耐压试验
均匀场气体的击穿
气体的击穿是由什么引起的？
本次课程的目的要求:
1、能说明 (P)、d对击穿电压的影响，会解释 巴申曲线中放电特点 2、能说明均匀场中气体击穿的两个理论及区别。
3、会说明均匀电场中气隙的击穿特性。
(一) 气隙中带电粒子的产生和消失
带电粒子： 正离子、负离子、电子
作用：阻碍放电发展
(二) 均匀电场中气体击穿的过程
一、电子崩、非自持放电和自持放电
左图表示实验所得平板电极(均 匀电场)气体中的电流I与所加 电压U的关系，即伏安特性。 在曲线OA段，I随U的提高而增 大，这是由于电极空间的带电 质点向电极运动加速而导致复 合数的减少所致。
气体放电伏安特性
当电压接近Ua时，电流I0趋向于饱和值，因为这时外界 游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以 电流值仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。
（二）电子崩发展到阳极后的新游离
电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内 的正离子在电场作用下向阴极运动。若气隙上的电压较低， 场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全 部和正离子复合，阴极表面游离不出自由电子。此时若取 消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放 电会停止。 此即是非自持放电。
实验分析 oa段：电流随电压升高而升高 ab段：电流仅取决于外游离因素与电压无关 bs段：电压升高碰撞游离增强但仍靠外游离维持(非自持) s点后：只靠外加电压就能维持(自持)
如果取消外游离因素，电流也将 消失，这类依靠外游离因素的作 用而维持的放电叫非自持放电。
外施电压到达U0后，气隙中游离 过程只靠外施电压已能维持，不 再需要外游离因素的放电称为自 持放电，U0称为起始放电电压。
作用：既促进又阻碍放电的进行 电子复合和离子复合： 都以光子的形式放出多余的能量。 一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电 阶跃式发展。
2、扩散
带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小 区域的现象。
作用：阻碍放电发生
3、进入电极
在外电场作用下，气隙中的正、负电荷 分别向两电极定向移动的现象。
二、低气压下均匀场自持放电的汤逊理论
（一）电子崩
外界游离因子在阴极附近产生一
(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子 崩中的分布
个初始电子，如果空间电场强度 足够大，该电子在向阳极运动时 就会引起碰撞游离，产生一个新 的电子，初始电子和新电子继续 向阳极运动，又会引起新的碰撞 游离，产生更多电子。依此电子 将按照几何级数不断增多，类似 雪崩似地发展，这种急剧增大的 空间电子流被称为电子崩。
（三）巴申定律(p) (或气密 ）和气隙距离(d)乘积的函数，即Ub= f (pd)。
物理意义： 一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极 后，崩中的 (ed 1) 个正离子向阴极碰撞时 ，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来， 放电就可转入自持。
如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：
气体空间游离 外界游离因子 阴极表面游离 气体中的自由电子 在电场中加速 碰撞游离 电子崩( 过程)
施加能量 W > Wi 自由电子
一、带电质点的产生
原因：各种游离（电离）
作用：促进放电发展 气体原子的 激发和游离
施加能量 施加能量 激发 分级游离
激发
施加能量
光子
自由电子
游离（电离）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的 电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成 为自由电子。 游离能 ：产生游离需要的能量。
4、气体中金属表面游离
含义： 形式： 金属阴极表面发射电子的过程。 正离子碰撞阴极表面； 光电子发射；(X射线、γ射线、紫外线等） 强场发射； 热电子发射；
气体中主要的游离方式是碰撞游离。 碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。
二、带电质点的消失
1、复合
正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的 传递而相互中和而还原为分子的过程。
激发：电子向高一能级轨道的跃迁。 带电粒子的运动 当气体中存在电场时，粒子同时 进行热运动和沿电场定向运动。 自由行程：一个质点在每两次碰撞 间自由地通过的距离。 平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。
1、碰撞游离
电子或离子与气体分子碰撞，将动能传递给气体分子引起游 离的过程。
碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分 子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子。
条件：
hv Wi
光游离产生的电子称为光电子。
3、热游离
本质：气体分子热状态引起的碰撞游离和光游离的综合。 常温下，气体分子发生热游离的概率极小。
当t>10000K时，才需考虑热游离； 当t>20000K时，几乎全部的分子都处于热游离状态。 以上三种游离发生在气体空间中，故也称为空间游离。
若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动 能大，撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使 取消外界游离因素，阴极表面游离出的电子可弥补原来发 展电子崩的那个电子，产生新的电子崩，使放电继续进行 下去。 此即是自持放电。
自持放电条件：
(e
d
1) 1 d ln
1
Wi为气体分子的游离能
1 meVe2 Wi 2
气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞 的行程。由于电子尺寸和质量比分子小得多，不易发生碰撞， 故电子的平均自由行程比离子的大得多，在电场作用下加速 运动易积聚足够的动能。
2、光游离
由光辐射引起气体分子游离的过程。
x射线、γ射线等；
来源： 异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子； 激励态分子回复到正常态释放出光子。